一种基于腔电磁诱导透明的超窄带法拉第正常色散原子滤光器及滤光方法与流程

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于腔电磁诱导透明的超窄带法拉第正常色散原子滤光器及滤光方法。

背景技术：

在光信息传输过程中，由于环境背景杂散光，色散吸收等因素的影响，信号强度减弱，导致接收器很难接收到信号。滤光器的作用就是屏蔽信号光频率以外的强宽带背景干扰光，将信号光提取出来。当光信号强度极低时，已有吸收型滤光器和法拉第反常色散滤光器(fadof)不再有效。

同时吸收型原子滤光器利用原子的自发辐射过程，虽然接受角很大，但是出来的荧光信号强度不大，并且降低了滤光器的响应速度。fadof是一种色散型滤光器，是利用原子共振吸收峰内的磁致法拉第旋转实现滤光。fadof具有响应速度快，窄带宽等优点，但它工作在原子共振吸收峰内，较难实现微弱光信号的提取。

吸收型原子滤光器和fadof可实现的带宽一般在几十mhz到一百mhz附近，无法实现mhz及亚mhz带宽的滤光；无论是吸收型原子滤光器还是fadof，对要提取的光信号都有一定的吸收，对所探测信号光强度有一定的要求。

为解决上述问题，中国专利cn108539569a公开了一种超窄带原子滤光器及其实现滤光的方法，该技术利用原子的速度转移效应将振子强度较弱的原子高激发态跃迁谱线，转移到振子强度较强的原子较低激发态的跃迁谱线上，并结合法拉第效应，使得探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，输出与泵浦激光相对应的目标光信号，但是当需要提取的光信号很微弱时(譬如微瓦量级的光信号)，这两种滤光器都不再有效。针对这种信号光强度极低情况，必须发展出新型的滤光器。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明引入增益机制先将信号光强度进行放大，再结合腔电磁诱导透明技术将所需要的光信号从背景噪声中提取出来，达到提升光通信的质量与系统检测灵敏度目的的基于腔电磁诱导透明的超窄带法拉第正常色散原子滤光器及滤光方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种基于腔电磁诱导透明的超窄带法拉第正常色散原子滤光器，至少包括滤光器部分和增益部分；

所述滤光器部分包括第一激光器、第一二分之一波片、起偏器、屏蔽磁盒、腔电磁诱导透明介质气室、线圈、检偏器和光电探测器；所述腔电磁诱导透明介质气室位于屏蔽磁盒内，且所述线圈缠绕在腔电磁诱导透明介质气室上，所述的第一激光器发射的探测光信号依次穿过第一二分之一波片、起偏器、屏蔽磁盒和检偏器被光电探测器接收；

所述增益部分包括第三激光器、第三透反镜、第一四分之一波片、第二二分之一波片、全反镜和第二四分之一波片，所述第三激光器发出的激光经过第三透反镜分为两束，一束经第一四分之一波片进入到腔电磁诱导透明介质气室，另一束经过穿过第二二分之一波片、经全反镜反射后并穿过第二四分之一波片进入到腔电磁诱导透明介质气室内，该两束经过处理后的激光共同进入到腔电磁诱导透明介质气室内与原子气作用产生增益的拉曼相干。

还包括腔电磁诱导透明部分，该腔电磁诱导透明部分包括第二激光器、设在屏蔽磁盒一侧的第一透反镜和设在屏蔽磁盒另一侧的第二透反镜，且所述第二激光器与第一透反镜同侧设置，所述第二激光器发出的激光经过第一透反镜反射后进入到腔电磁诱导透明介质气室内建立腔电磁诱导透明后，射出腔电磁诱导透明介质气室并通过第二透反镜反射出光路系统。

所述起偏器和屏蔽磁盒之间的光路上设有入射镜、所述屏蔽磁盒和检偏器的光路上依次设有高反镜和出射镜，所述入射镜、高反镜和出射镜形成环形腔，所述第一激光器发出的探测光信号经过起偏器将该探测光信号改变为线偏振光，该线偏振光经入射镜耦合进入环形腔，与腔电磁诱导透明介质气室相互作用后经高反镜反射，一部分经出射镜耦合出环形腔，在经过检偏器后由光电探测器接收，另一部分继续在光路中循环。

所述屏蔽磁盒内磁场范围为0-1g。

所述入射镜的透射率为3％，所述出射镜的透射率为1.4％。

所述第三激光器发出的激光经第三透反镜形成两束强度相等的激光。

一种滤光方法，所述屏蔽磁盒内缠绕在腔电磁诱导透明介质气室上的线圈通电，形成轴向静磁场；

所述第二激光器发出激光并通过第一透反镜进入到腔电磁诱导透明介质气室中与腔电磁诱导透明介质气室中的静磁场形成腔电磁诱导透明后，经过第二透反镜折射射出；

所述第三激光器发射出的激光经过第三透反镜后，分成两束强度相等的光，一束经过第一四分之一波片改造为右旋圆偏振光进入到诱导透明介质气室中，另一束经过第二二分之一波片、高反镜及第二四分之一波片改造为左旋圆偏振光进入到诱导透明介质气室中；

第一激光器发出探测光信号，该探测光信号经过第一二分之一波片并经过起偏器件该探测光信号改造为线偏振光，该线偏振光经入射镜耦合进环形腔，并激发环形腔的左旋与右旋圆偏振模式，该左旋与右旋圆偏振模式与腔电磁诱导透明气室中原子气发生相互作用，并积累不同相移，最终经出射镜耦合出环形腔，产生法拉第旋转，并经过检偏器后被光电探测器接收，另一部分光通过出射镜反射后进入到入射镜中，进行循环使用。

本发明的有益效果是：引入增益系统建立原子塞曼能级间的量子相干，将微弱的探测光信号强度放大几倍至十几倍；建立腔电磁诱导透明系统，增强系统的法拉第旋转效应，实现通带内光信号与通带外背景杂散光的偏振平面相互垂直，将通带外背景杂散光完全过滤掉；同时，腔电磁诱导透明系统的引入，将探测信号光的通带带宽进一步压窄至0.1mhz到1.0mhz附近。

附图说明

图1是本发明滤光结构的光路结构示意图；

图2是本发明的对信号光的放大数据图；

图3是现有fadof对信号光的放大数据图；

图4是本发明原子滤波通宽宽带图；

图5是现有fadof原子滤波通宽宽带图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例

如图1所示一种基于腔电磁诱导透明的超窄带法拉第正常色散原子滤光器，至少包括滤光器部分和增益部分；所述滤光器部分主要对发出的探测光信号进行过滤，过滤后的光信号强度极低，通过所述增益部分建立的腔电磁诱导透明介质的塞曼相干，将微弱的探测光信号强度放大几倍至几十倍，方便对该探测信号进行探测；

具体的是所述滤光器部分包括第一激光器1、第一二分之一波片2、起偏器3、屏蔽磁盒5、腔电磁诱导透明介质气室6、线圈7、检偏器10和光电探测器11；所述腔电磁诱导透明介质气室6位于屏蔽磁盒5内，且所述线圈7缠绕在腔电磁诱导透明介质气室6上，所述的第一激光器1发射的探测光信号依次穿过第一二分之一波片2、起偏器3、屏蔽磁盒5和检偏器10被光电探测器11接收；所述的线圈绕在腔电磁诱导透明介质气室6上，当线圈通电时，所述的屏蔽磁盒5内形成轴向静磁场，磁场范围为0-1g，精确调节线圈的工作电流大小以精准控制均匀磁场；

在使用时，在探测信号光路上依次放置第一激光器1、第一二分之一波片2、起偏器3、屏蔽磁盒5(屏蔽磁盒5内的腔电磁诱导透明介质气室6缠绕线圈并通电)、检偏器10、光电探测器11，调整好上述各器件的位置后，确保光电探测器11能够接受到信号光，其中，整个腔电磁诱导透明介质气室6外绕有通电线圈7，并置于磁屏蔽盒中，用以屏蔽地磁场对实验结果的影响；微弱探测光信号经过原子滤光器时，偏振平面发生旋转，即法拉第旋转；探测光信号经检偏器10后由光电探测器11接收；

所述增益部分包括第三激光器15、第三透反镜16、第一四分之一波片17、第二二分之一波片18、全反镜19和第二四分之一波片20，所述第三激光器15发出的激光经过第三透反镜16分为两束，一束经第一四分之一波片17进入到腔电磁诱导透明介质气室6，另一束经过穿过第二二分之一波片18、经全反镜19反射后并穿过第二四分之一波片20进入到腔电磁诱导透明介质气室6，该两束经过处理后的激光共同进入到腔电磁诱导透明介质气室6内建立产生增益的塞曼相干。

增益部分主要用于将原子系统制备在相干布局囚禁态上，建立不同塞曼能级之间的量子相干，第三激光器15经第三透反镜16分成强度相等的两束，一束经四分之一波片17改造成右旋圆偏振光，进入腔电磁诱导透明介质气室与原子系统作用，另一束经二分之一波片18，高反镜19及四分之一波片20改造成左旋圆偏振光，进入腔电磁诱导透明介质气室与原子相互作用，在这两束激光的共同作用下，原子被制备在基态塞曼能级的相干叠加态上。基态塞曼能级之间的量子相干用于实现微弱探测光信号放大。

具体在作用时，所述第一激光器1发出的探测光经过第一二分之一波片2进行二分之一过滤，然后经起偏器3将该光信号改造为线偏振光，该线偏振光经入射镜4耦合进环形腔并激发环形腔的左旋与右旋圆偏振腔模，并与腔电磁诱导透明介质气室中的原子气相互作用，产生不同的相移，最后经出射镜9耦合出环形腔后实现腔增强法拉第旋转，放大和偏转增强后的探测光通过检偏器10检测后被光电检测器11接收，完成探测光信号的过滤和放大。

进一步的，为了能够保证探测信号从背景噪声中提取出来，并且保证提高检测的灵敏度，还包括腔电磁诱导透明部分，该腔电磁诱导透明部分包括第二激光器12、设在屏蔽磁盒5一侧的第一透反镜13和设在屏蔽磁盒5另一侧的第二透反镜14，且所述第二激光器12与第一透反镜13同侧设置，所述第二激光器12发出的激光经过第一透反镜13反射后进入到腔电磁诱导透明介质气室6内建立电磁诱导透明后，射出腔电磁诱导透明介质气室6并通过第二透反镜14反射。所述第二激光器12经第一透反镜13与第一激光器发出的光信号在腔电磁诱导透明介质气室6中的原子气相互作用，结合腔模建立腔电磁诱导透明，增强探测光信号的透射，控制其传播方向与探测光的传播方向基本一致(实验上控制角度在0-2度)以消除一阶多普勒展宽。

所述起偏器3和屏蔽磁盒5之间的光路上设有入射镜4、所述屏蔽磁盒5和检偏器10的光路上依次设有高反镜8和出射镜9，所述入射镜4、高反镜8和出射镜9形成环形腔，所述第一激光器1发出的探测光信号经过起偏器3将该探测光信号改变为线偏振光，该线偏振光耦合进入环形腔和腔电磁诱导透明介质气室6中的原子气相互作用后经高反镜8反射并从出射镜9耦合出环形腔，在经过检偏器10后由光电探测器11接收。微弱的探测光信号由激光器提供，经衰减而得，经起偏器3改造成线偏振光，由腔入射镜4耦合进环形腔，并驱动腔模与腔电磁诱导透明介质气室6相互作用，建立腔电磁诱导透明；腔电磁诱导透明介质气室6外绕有线圈，通电产生轴向的均匀静磁场，磁场强弱可通过对电流的控制予以调控，静磁场的方向与环形腔腔模行波方向一致，使得探测光经过原子滤波器时发生法拉第旋转；探测光经高反镜8，从腔出射镜9耦合出环形腔，再经设置在出射光路上的检偏器10，由光电探测器11接收探测光信号。

同时所述入射镜的透射率为3％，所述出射镜9的透射率为1.4％。

上述采用的基本原理是基于相干布局囚禁技术，用激光将原子制备在相干叠加态，利用制备好的原子系统在磁场中与腔电磁诱导透明和耦合进环形腔的探测光相互作用，与原子跃迁对应频率的探测光信号产生磁致旋光，耦合出环形腔后偏振平面产生旋转，利用电磁线圈通过控制其电流强弱设置原子系统所处磁场强度，并结合腔电磁诱导透明的设置实现对出射探测光信号偏振方向的控制，将原子制备在相干叠加态，微弱的探测光信号经过与原子相互作用后实现放大，将原子置入环形腔实现滤光器带宽的进一步压缩，在进入环形腔之前利用起偏器选取耦合进入环形腔的探测光的偏振方向，腔内耦合出的探测光光路后端利用检偏器选取经过原子系统磁致旋转后的特定偏振方向上透过的探测光信号，从而实现特定波长光信号与背景噪声信号的隔离及特定波长光信号的提取。

一种滤光方法，所述屏蔽磁盒5内缠绕在腔电磁诱导透明介质气室6上的线圈通电，形成轴向静磁场；

所述第二激光器12发出激光并通过第一透反镜13进入到腔电磁诱导透明介质气室6中与腔模构建腔电磁诱导透明，经过第二透反镜14反射射出；

所述第三激光器15发射出的激光经过第三透反镜16后，分成两束强度相等的光，一束经过第一四分之一波片17改造为右旋圆偏振光进入到诱导透明介质气室6中，另一束经过第二二分之一波片18、高反镜19及第二四分之一波片20改造为左旋圆偏振光进入到腔电磁诱导透明介质气室6中，与原子气相互作用建立产生增益的塞曼相干；

第一激光器1发出探测光信号，该探测光信号经过第一二分之一波片2并经过起偏器3将该探测光信号改造为线偏振光，该线偏振光经入射镜4中驱动环形腔左旋与右旋圆偏振腔模，该左旋与右旋腔模与腔电磁诱导透明介质气室6中原子气作用，并积累不同相移，经出射镜9耦合出环形腔后偏振面发生偏转，随后经过检偏器10被光电探测器11接收，另一部分光通过出射镜9反射后进入到入射镜4中，进行循环使用。

具体的是，在建立塞曼相干光路上依次放置第三激光器15，第三透反镜16，第一四分之一波片17，第二二分之一波片18，高反镜19，第一四分之一波片20，并调整好光路；

在腔电磁诱导透明系统光路上依次放置第二激光器12，第一透反镜13，第二透反镜14，并调整好光路；

在探测光信号光路上依次放置好第一激光器1，第一二分之一波片2，第一起偏器3，环形腔透射率为3％的入射镜4，磁屏蔽盒5，腔电磁感应透明原子气泡6，环形腔第二高反镜8，环形腔透射率为1.4％出射镜9，检偏器10，光电探测器11，调整好上述各器件的空间位置，确保光电探测器10能顺利接收到信号光；其中，整个电磁感应透明原子气泡外绕有通电线圈7，并置于磁屏蔽盒中，用以屏蔽地磁场对实验结果的影响；微弱探测光信号经过原子滤光器时，偏振平面发生旋转，即磁致光旋转；探测光信号经检偏器10后由光电探测器11接收；

给线圈7通电，产生与探测光激发的腔模传播方向一致的轴向静磁场，磁场范围为0-1g，精确调节线圈工作电流的大小以准确控制均匀磁场；

优化检偏器10的位置与方向，使信号光尽可能被光电探测器接收到，而杂散背景光被滤除，使得经过检偏器后的探测光信号的信噪比达到最优；

检偏器的方向与泵浦激光强弱相关，检偏器的位置与泵浦激光的强弱联合调控，以达到最优信噪比。

图2、图3、图4和图5都是原子气泡的长度均为5cm时fadof和本申请提供的方案理论计算结果，其中图2是本申请对弱光信号放大的数据图示，图4是本申请原子滤波通带带宽的数据图示；图3时fadof对弱点信号放大的数据图示、图5是fadof原子滤波通带带宽的数据图示，通过图2和图3对比可以看出，发明申请提供的方案可以将弱光信号放大，而fadof对信号光是表现为吸收；通过图4和图5对比可以看出本发明申请提供的原子滤波通带带宽约0.1mhz，fadof的带宽在几十mhz数量级。同时本申请所需要的磁场约为0.18g，而目前所有的方案是所需要的磁场为几十个g。本申请所需要的磁场远远低于目前所有方案中所需要的磁场，同时根据对比可以直观的看出，原子滤光器将微弱光信号放大的同时，将通带带宽压缩至在1mhz到几十mhz附近，甚至1mhz以下。比现有原子滤光器带宽都要窄，同时能够有效的将所需要的光信号从背景噪声中提取出来，达到提升光通信的质量与系统检测灵敏度目的。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。